活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　碳材料，例如活性炭和石墨，是非常有用的功能材料。活性炭在很多行业应用中比较重要的材料，例如使用变压吸附，水净化，空气净化，金属精炼，气体分离等应用。为了制造工业中更合适的碳材料，本次研究对煤焦油沥青制成的活性炭施加磁场，分析其对微孔形成的影响。

　　磁场对碳化过程的影响

　　我们对煤焦油沥青的碳化处理，在各温度下和不存在和存在磁场的情况下制备的活性炭的XRD峰强度绘制在图1(a)中。能观察到大磁场效应，对于用稳定化制备的普通活性炭前体，不可能获得磁场效应。该结果通过在氧化气体中热处理期间在碳材料中形成的氧交联结构来解释，通过稳定化形成氧交联结构不仅导致碳化的抑制，而且使得液晶样行为变得不可能。这被认为是没有出现磁场效应的原因。为了阐明交联结构形成所需的时间，在碳化之前进行稳定化，时间从0到120分钟变化。此处，0分钟以外的制备方法基于制备活性炭前体的一般方法。XRD峰强度相对于稳定如图1(b)所示。无论是否存在磁场，在碳化之前稳定5分钟后衍射急剧减少。在氧化条件下，无论是否存在磁场，都进行交联。

　　图1：在不存在10T磁场下制备的活性炭材料XRD峰强度的热处理温度依赖性。

　　在高磁场下活性炭前体材料的具体结构

　　用偏光显微镜观察存在磁场情况下活性炭前体材料煤焦油和沥青的取向结构。煤焦油具有源自中间相熔融的流动状结构，如图2(a)所示观察到分离的小中间相小球，表明融合不均匀。如图2(b)所示在通过使用超导磁体获得的高磁场下碳化的情况下，例如煤焦油的碳化，磁取向显着加速。如图2(a)10T处显示光学各向异性的白色区域广泛分布(对角线位置)，当样品旋转45°时，整个区域变暗(消光位置)。与在0T明显的结构相反，未观察到细域结构，并且取向度极高并且在宏观和微观上都具有高度均匀的结构。尽管所需的磁场强度取决于原材料特性，但超导磁体的使用对于提供活性炭的新结构非常重要。

　　图2：(a)在没有和存在2T和10T的磁场的情况下制备的活性炭前体材料的偏振显微镜图像。(b)对煤焦油沥青的碳化过程的磁场效应的示意图。

　　活性炭的孔隙分布

　　从煤焦油和沥青制备活性炭的微孔分布，从所获得的吸附等温线，在图3两种活性炭的孔径差异非常小相差不到0.04nm，并且在两种情况下大多数孔分布在0.80和0.95nm之间。然而，观察到由磁场增强过的活性炭吸附量在该区域中大大增加。从吸附等温线可以估计0.8至0.95nm范围内的总吸附量约为1.25倍。当活化剂量加大时两种活性炭的孔径分布均发生变化，产生了略大的孔隙结构。

　　图3：由(a)活性炭和(b)高磁场下制备活性炭的孔径分布。

　　磁场改变孔隙结构的机制

　　我们预测磁场对活性炭微孔形成机制的差异。在施加的磁场下，由于取向的碳聚结，碳六边形沿磁场方向形成，这种效应导致没有边界的结构。结果，由于微晶与磁场的排列，在活化过程中化学品不容易进入晶间和碳间六角层。涉及金属活化剂渗透到炭微晶中，破坏六边形结构以形成炭的边缘表面和嵌入活性炭中间层的化学物质。活性炭的扫描电子显微镜(SEM)图像显示在图4中。活性炭在没磁场的情况下，图像大多数显示出片状结构。然而，活性炭在高磁场的情况下，图像大多数显示出块形态。即使在观察活性炭堆积平面的横截面时，后者也显示出比前者更清洁的横截面，并保留了反映前体的有序结构。活化剂的比率不同会导致，活性炭形成微孔的大小。在活化剂和前体材料比率为3时，微孔数量的增加率较大。然而，在活化剂和前体材料比率为5时，微孔和相对大的孔隙之间的关系被逆转。

　　图4：两种活性炭的SEM图像，比率为3的活化剂和前体材料。

　　实验发现在高磁场下制备的活性炭的吸附能力大于没有磁场制备的35%。在非反应性气体下对活性炭的磁场作用通过中间相中的磁取向来解释，其类似于液晶。通过稳定化处理，该磁场效应消失。对前体的磁场作用导致大量微晶的构造，这导致形成大量微孔。尽管在磁场下制备的前体的活化是困难的，但是还是有办法能形成微孔的。通过在磁场下制备改善了活性炭的微孔容量，并且我们可以预期由于更细的孔径分布而产生分子筛效应。因此，可以在碳化区域中在相对低的温度下获得磁场效应，因此不需要在磁场下在高温下进行活化，这从应用的观点来看是非常重要的。因此，可以用磁场控制活性炭的孔隙性质。

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